直流分壓器頻率響應(yīng)現(xiàn)場試驗源及試驗方法

翟少磊，肖勇，廖耀華，錢斌，羅奕

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南省綠色能源與數(shù)字電力量測及控保重點實驗室(1)，昆明 650217；3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；4. 廣東省電網(wǎng)智能量測與先進(jìn)計量企業(yè)重點實驗室, 廣州510663)

0 引言

高壓直流輸電技術(shù)具有輸送容量大、可遠(yuǎn)距離輸電、響應(yīng)速度快等特點，目前被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外輸電工程[1-4]。高壓直流電壓分壓器作為直流輸電系統(tǒng)中的重要測量裝置，為直流控制保護(hù)系統(tǒng)提供電壓測量信號，其測量準(zhǔn)確性及頻率響應(yīng)特性將直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[5]。由于直流輸電系統(tǒng)中的直流側(cè)回路阻抗較小，發(fā)生故障時其電壓變化速度更快，需要控制保護(hù)信號具有更快的采樣速度和更寬的頻帶寬度[6]，因此對直流電壓測量裝置提出了更高的頻率響應(yīng)特性要求。直流電壓測量裝置主要分為電阻分壓器和阻容式分壓器2種[7]。當(dāng)受到?jīng)_擊電壓時，電阻分壓器上的電壓分布極不均勻，靠近高壓側(cè)的電阻可能因承受瞬時過電壓而損壞，因此現(xiàn)場使用的高壓直流電壓測量裝置一般為阻容式分壓器[8-10]。

嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)對高壓直流電壓測量裝置進(jìn)行出廠試驗、例行試驗以及現(xiàn)場試驗是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。GB/T 26217—2019《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電壓測量裝置》[11]是現(xiàn)行高壓直流電壓測量裝置國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中明確要求產(chǎn)品在做型式試驗時，需在高壓側(cè)分別施加頻率為50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz、900 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz，方均根值大于1 kV的正弦波試驗電壓，其幅值誤差不得超過3%，時間誤差不得超過500 μs。由于缺乏滿足條件的頻率試驗電源，目前高壓直流分壓器在出廠試驗時，一般僅在工頻50 Hz條件下進(jìn)行高壓頻率響應(yīng)測試。實際投入運行后，高壓直流分壓器一般不再進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗[12-13]，這種現(xiàn)狀使得直流電壓測量裝置頻率響應(yīng)特性缺乏客觀的評定依據(jù)，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來隱患[14-16]。

基于該現(xiàn)狀，本文提出了一種高壓直流分壓器頻率響應(yīng)現(xiàn)場試驗源及試驗方法，可在不同容性負(fù)載下，生成頻率50～3 000 Hz且幅值為0～10 kV，波形畸變系數(shù)小于5%的正弦試驗電壓，滿足各類直流分壓器頻率響應(yīng)試驗要求，使得高壓直流分壓器的現(xiàn)場頻率響應(yīng)測試成為可能。該方法的提出有助于完善直流分壓器現(xiàn)行試驗規(guī)程，對在運行的直流分壓器進(jìn)行現(xiàn)場頻率響應(yīng)測試，及早發(fā)現(xiàn)阻容分壓器電容元件故障等設(shè)備隱患，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 基于高壓功率放大器的高壓寬頻電源

澳大利亞國家測量所Ilya Budovsky設(shè)計了一套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)用于直流分壓器頻率響應(yīng)測試，其輸出試驗電壓為1 kV，頻率可在40～200 kHz間調(diào)節(jié)[17]，但是該方案在1 kV試驗電壓下的精度較低，無法滿足高等級分壓器頻率響應(yīng)誤差要求。文獻(xiàn)[18]采用交流穩(wěn)壓電源對不同型號的阻容式直流分壓器進(jìn)行了頻率響應(yīng)試驗，該方法受交流穩(wěn)壓電源限制，僅能輸出300 Hz以下的正弦信號波形。文獻(xiàn)[19]通過信號發(fā)生器驅(qū)動功率放大器得到高壓寬頻信號，再利用寬頻升壓器得到所需試驗電壓，但是在實際試驗中發(fā)現(xiàn)，由于功率放大器負(fù)載能力的限制，當(dāng)接入容性負(fù)載時，高壓輸出端的正弦信號波形會隨著信號頻率的增加產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。文獻(xiàn)[20]采用IGBT全橋逆變電路和脈寬調(diào)制電路設(shè)計了一臺輸出電壓有效值320 V，功率16 kW的高壓大功率開關(guān)功率放大器。文獻(xiàn)[21]設(shè)計了一種驅(qū)動大容性負(fù)載的雙極性高壓功率放大器，該放大器驅(qū)動等效電容為2.5 μF的壓電陶瓷驅(qū)動器時，可以實現(xiàn)單端到地-500～+500 V高壓輸出，這2種方案均因輸出電壓值不足，無法滿足頻率響應(yīng)測試要求。

為滿足高壓直流電壓互感器頻率響應(yīng)試驗的測試需求，本文搭建了由信號發(fā)生器、功率放大器、可調(diào)電感裝置組成的高壓寬頻電源，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，信號發(fā)生器可以產(chǎn)生0～25 MHz頻率的正弦波形，高壓功率放大器可提供交流峰值0～±10 kV范圍內(nèi)的輸出電壓，其交流電流有效值輸出范圍為0～±40 mA，可調(diào)電感裝置基于并聯(lián)諧振原理補(bǔ)償負(fù)載容性電流，以提高功率放大器高頻輸出電壓下驅(qū)動容性負(fù)載的能力。

圖1 高壓寬頻電源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of high voltage broadband power supply

所用高壓功率放大器的技術(shù)原理如圖2所示。輸入信號通過低壓運算放大級驅(qū)動后，推動功率放大級，得到快速跟隨輸入信號的高電壓輸出。整個系統(tǒng)通過220 V交流輸入供能。高壓輸出信號通過負(fù)反饋通道構(gòu)成閉環(huán)控制，作用在運算放大器上以提高功率放大器的輸出穩(wěn)定性。該功率放大器的有效帶寬受放大器的輸出電流能力限制，當(dāng)負(fù)載電流大于40 mA時，功率放大器因無法提供更大的電流，此時輸出電壓波形開始畸變，具體表現(xiàn)為正弦波波峰變平，峰值因數(shù)變小，不再是理想的正弦波。當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)一步超出其帶負(fù)載能力時，功率放大器會自動跳閘以保護(hù)其內(nèi)部電路。

圖2 高壓功率輸出放大器的原理Fig.2 Principle of high-voltage power output amplifier

驅(qū)動容性負(fù)載時，高壓寬頻電源輸出電流大小的理論計算公式為：

i=2πfCv

(1)

式中：C為負(fù)載電容值；f為輸出波形所需頻率；v為施加到負(fù)載上的電壓有效值。

為驗證高壓寬頻電源的帶容性負(fù)載能力，本文模擬當(dāng)前高壓直流輸電工程中常用的800 kV、400 kV、100 kV分壓器，分別搭建了實物試驗平臺進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗，其試驗原理圖如圖3所示。

圖3 試驗原理圖Fig.3 Test principle diagram

根據(jù)公式可以計算出該高壓寬頻電源輸出電壓為幅值為10 kV時(有效值7.07 kV)，驅(qū)動不同電壓等級分壓器時所能達(dá)到的理論帶寬，如表1所示。

表1 驅(qū)動不同電壓等級分壓器時所能達(dá)到的理論帶寬Tab.1 Theoretical bandwidth that can be achieved when driving the voltage divider of different voltage levels

1.1 帶±800 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測試

經(jīng)過工程產(chǎn)品手冊查詢與實物測定，±800 kV阻容式直流分壓器的等效電容值約為200 pF，本次試驗時所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測定為202.0 pF。設(shè)定高壓輸出電壓峰值為10 kV，調(diào)節(jié)高壓信號的頻率，通過校驗系統(tǒng)采集電壓波形信號。當(dāng)頻率從50 Hz變化到3 000 Hz的過程中，波形均無明顯畸變。通過快速傅立葉變換分析，其50 Hz下的總諧波畸變率為0.98%，3 000 Hz下的諧波畸變率略有增加，為1.13%，如圖4所示。由于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程并未對直流分壓器頻率試驗源的諧波畸變率指標(biāo)作出要求，參照《JJG496—2016工頻高壓分壓器檢定規(guī)程》對電源諧波畸變率應(yīng)不大于3%的要求[22]，可認(rèn)為該高壓寬頻電源輸出波形的諧波畸變率達(dá)標(biāo)。

圖4 電容負(fù)載為202 pF，頻率為3 000 Hz時輸出波形與諧波分析Fig.4 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 202 pF and the frequency is 3 000 Hz

1.2 帶±400 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測試

±400 kV阻容式直流分壓器的等效電容測定值約為400 pF，本次試驗所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測定為404.7 pF。采用相同的試驗方法采集電壓波形信號，發(fā)現(xiàn)頻率在50～2 500 Hz范圍變化時，波形無明顯畸變，當(dāng)頻率上升至2 640 Hz時其波形發(fā)生明顯畸變，通過快速傅立葉變換分析，測得其諧波畸變率為4.42%，如圖5所示。該輸出電壓因諧波畸變率過高，無法滿足頻率響應(yīng)試驗要求需要。

圖5 電容負(fù)載為404.7 pF，頻率為2 640 Hz時輸出波形與諧波分析Fig.5 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 404.7 pF and the frequency is 2 640 Hz

1.3 帶±100 kV直流分壓器容性負(fù)載能力測試

±100 kV阻容式直流分壓器的等效電容值測定值約為1 500 pF，本次試驗所使用的等效電容參數(shù)經(jīng)測定為1 527 pF。采用相同的試驗方法采集電壓波形信號，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率超過1 000 Hz時，波形變成三角波。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)頻率在50～700 Hz范圍變化時，波形無明顯畸變，當(dāng)頻率上升至760 Hz時其波形開始發(fā)生明顯畸變，測得其諧波畸變率為2.67%，如圖6所示。

圖6 電容負(fù)載為1 527 pF，頻率為760 Hz時輸出波形與諧波分析Fig.6 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 1 527 pF and the frequency is 760 Hz

由上述試驗結(jié)果可知，受功率放大器帶容性負(fù)載能力限制，在輸出電壓峰值為10 kV時，當(dāng)前高壓寬頻電源驅(qū)動400 pF級的電容時的實際有效帶寬約為2 600 Hz，驅(qū)動1 500 pF級的電容時的實際有效帶寬約為750 Hz，與表1的理論計算值相近。試驗結(jié)果表明，該公式可用在工程中實際估算該高壓寬頻電源在不同容性負(fù)載時的有效帶寬。

盡管1.1節(jié)的試驗結(jié)果表明該高壓寬頻電源驅(qū)動200 pF級的電容，有效帶寬能夠達(dá)到4 500 Hz，滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的3 000 Hz。然而對于800 kV級的高壓直流分壓器，峰值10 kV的交流電壓輸出只達(dá)到其額定量程的1.25%，并不能反映實際工況。若要進(jìn)一步提高輸出電壓，其有效帶寬會等比例下降。因此高壓直流分壓器頻率試驗源的試驗?zāi)芰﹄x相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求仍有進(jìn)一步提升空間。

2 高壓寬頻電源容性負(fù)載能力提升措施及驗證

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，限制高壓功率放大器輸出性能的主要因素是不同電容負(fù)載下的容性電流大小。為進(jìn)一步提升高壓寬頻試驗電源的性能，滿足頻率響應(yīng)測試的需要，本文從減少負(fù)載電流大小的角度出發(fā)，提出了一種在高壓功率放大器的輸出端并聯(lián)可調(diào)電感的措施以提升高壓寬頻電源的有效帶寬。

補(bǔ)償模型如圖7所示。用ATP等仿真分析軟件可以計算出在本文3個典型電容負(fù)載下交流電壓輸出幅值為10 kV，功率放大器的容性輸出電流不超過40 mA，各個輸出頻率所需的補(bǔ)償電感值計算結(jié)果如表2所示。

圖7 補(bǔ)償模型圖Fig.7 compensation model diagram

表2 電容負(fù)載在各個頻率下所需并聯(lián)電感值Tab.2 The required parallel inductance values of capacitor loads at each frequencyH

考慮到現(xiàn)場試驗設(shè)備的便攜性要求，所設(shè)計的可調(diào)電感在具備寬電容負(fù)載調(diào)節(jié)能力的前提下，其設(shè)備質(zhì)量應(yīng)盡量小，故選用的可調(diào)電感調(diào)節(jié)范圍為0～98.7 H。本文設(shè)計的可調(diào)電感裝置由線圈與磁芯2部分構(gòu)成，如圖8所示。線圈共有5個輸出端口，磁芯上方具有手搖式調(diào)節(jié)旋鈕，可調(diào)節(jié)磁芯進(jìn)入線圈的長度。通過調(diào)節(jié)線圈接入的節(jié)數(shù)和磁芯進(jìn)入線圈長度來調(diào)節(jié)電感量。每一節(jié)端口空磁芯與滿磁芯時的電感值如表3所示。針對不同電壓等級的阻容式直流電壓互感器，根據(jù)表2選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電感值，可以使輸出電流保持在功率放大器輸出電流限制以內(nèi)，輸出峰值10 kV頻率在50～3 000 Hz范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖8 可調(diào)電感裝置Fig.8 Adjustable inductance device

表3 不同端口空磁芯與滿磁芯時的電感值Tab.3 Inductance value of different ports with empty core and full core

為驗證上述所計算的并聯(lián)電感補(bǔ)償措施的有效性，本文搭建了如圖9所示模擬試驗平臺。

圖9 試驗原理與試驗平臺Fig.9 Test principle and test platform

2.1 ±400 kV直流分壓器典型容性負(fù)載

對于±400 kV直流分壓器典型容性負(fù)載，當(dāng)未并聯(lián)補(bǔ)償電感裝置時，頻率增加至3 000 Hz時功率放大器內(nèi)部保護(hù)裝置動作，無法產(chǎn)生指定的電壓波形。在功率放大器輸出側(cè)并聯(lián)可調(diào)電感，測量其在3 000 Hz下的輸出電壓波形，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電感從24.4 H調(diào)節(jié)到3.88 H時，輸出波形均無明顯畸變。計算得到并聯(lián)24.4 H負(fù)載時的總諧波畸變率為2.48%，并聯(lián)3.88 H負(fù)載時的總諧波畸變率為1.91%，波形如圖10所示，均能滿足試驗要求。

圖10 并聯(lián)電感值為3.88 H，電容負(fù)載為1 527 pF，頻率為760 Hz時輸出波形與諧波分析Fig.10 Output waveform and harmonic analysis when the capacitive load is 1 527 pF and the frequency is 760 Hz and the parallel inductance value is 3.88 H

2.2 ±100 kV直流分壓器典型容性負(fù)載

對于±100 kV直流分壓器典型容性負(fù)載，當(dāng)未并聯(lián)補(bǔ)償電感裝置時，增加頻率至760 Hz時其輸出波形已發(fā)生明顯畸變。當(dāng)頻率在800 Hz及以上時，可采用表2所計算的補(bǔ)償電感值進(jìn)行補(bǔ)償。實際試驗中發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償電感值與理論計算存在差異，實際補(bǔ)償電感值與諧波畸變率計算結(jié)果如表4所示。

受實際試驗環(huán)境中的雜散電容參數(shù)影響，實際使用的補(bǔ)償電感范圍與理論計算得到的電感范圍存在細(xì)微差別。補(bǔ)償后輸出信號的總諧波畸變率基本很難達(dá)到1%以下，但是均能夠控制在2.5%以內(nèi)。在實際工作中，可以在試驗前計算出實際補(bǔ)償所需的電感范圍表，然后在盡量大的頻率范圍內(nèi)選擇固定的電感參數(shù)。以表4為例，可以在800～1 000 Hz內(nèi)使用相同的電感值18 H，無需完全補(bǔ)償也可以滿足試驗要求，以減輕現(xiàn)場測試時頻繁調(diào)整電感所帶來的額外工作量。

表4 并聯(lián)補(bǔ)償電感后，輸出信號的總諧波畸變率Tab.4 Total harmonic distortion rate of the output signal after the inductance is compensated in parallel

上述試驗證明了文中所提出的電感補(bǔ)償措施以及補(bǔ)償電感計算方法的有效性，解決了高壓功率放大器驅(qū)動容性負(fù)載能力不足的問題，滿足實際工程中阻容式分壓器頻率響應(yīng)試驗對高壓寬頻電源的實際需求。

3 直流分壓器頻率響應(yīng)特性測試

利用前文介紹的頻率響應(yīng)現(xiàn)場試驗方法對一臺100 kV阻容式直流分壓器開展頻率響應(yīng)特性測試，試驗原理圖如圖11所示。該阻容式直流分壓器的高低壓臂參數(shù)經(jīng)過測定為：R1=312 MΩ，R2=29.64 kΩ，C1=209.4 pF，C2=2.046 μF。

圖11 頻率響應(yīng)測試原理圖Fig.11 Schematic diagram of frequency response test

測試過程中調(diào)節(jié)高壓寬頻電源依次輸出頻率為50～3 000 Hz、電壓幅值為10 kV的試驗電壓，10 kV標(biāo)準(zhǔn)高壓探頭連接在100 kV阻容式直流分壓器的高壓側(cè)測量高壓寬頻電壓的實際輸出電壓。電子式電壓互感器校驗儀同步測試標(biāo)準(zhǔn)高壓探頭與被試阻容直流分壓器二次電壓，并計算各頻率試驗電壓下該直流分壓器的比差和相角差。在50 Hz、3 000 Hz頻率試驗電壓下直流電壓互感器校驗儀頻率響應(yīng)測試結(jié)果如圖12所示，幅頻誤差特性和相頻誤差特性測試結(jié)果如圖13所示。

圖12 直流電壓互感器校驗儀頻率響應(yīng)測試結(jié)果Fig.12 Test result of frequency response of DC voltage transformer calibrator

圖13 直流分壓器頻率響應(yīng)測試結(jié)果Fig.13 Test results of DC voltage divider frequency response

試驗結(jié)果表明本文提出的高壓寬頻電源能夠為被試阻容分壓提供3 000 Hz范圍內(nèi)的10 kV標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓波形，可以對實際阻容分壓器開展頻率響應(yīng)測試，測量直流分壓器在不同頻率下的比差和角差。

4 結(jié)語

本文基于高壓功率放大器和任意波形信號發(fā)生器搭建了輕便式高壓寬頻電源，通過并聯(lián)電感補(bǔ)償措施提升了高壓寬頻電源驅(qū)動容性負(fù)載的能力。

試驗結(jié)果表明，該寬頻電源及其補(bǔ)償裝置可在不同電壓等級直流分壓器等效容性負(fù)載條件下，產(chǎn)生頻率50～3 000 Hz且幅值高達(dá)10 kV的試驗電壓，總諧波畸變率指標(biāo)可滿足各類直流分壓器頻率響應(yīng)試驗要求。

本文設(shè)計的現(xiàn)場用頻率響應(yīng)試驗電源提升了當(dāng)前直流分壓器頻率響應(yīng)試驗電壓的頻率范圍和電壓范圍，有助于推進(jìn)直流分壓器頻率響應(yīng)特性試驗的現(xiàn)場開展，以便掌握在運直流分壓器的頻率響應(yīng)實際運行特性，及時發(fā)現(xiàn)阻容器件的運行缺陷。